Mots clés : coucher de Soleil, diffusion de Rayleigh, atmosphère, longueur d'onde, couleur

Expérience du coucher de soleil et couleur du ciel

Vincent Daniel

ENS-Lyon

Isabelle Blondel

ENS-Lyon

Gérard Vidal

ENS-Lyon

Vincent Daniel

27/06/2000

Résumé

Expérience facilement réalisable permettant d'illustrer deux phénomènes célèbres dus à la diffusion de la lumière solaire par l'atmosphère : la couleur bleue du ciel, la teinte orangée du coucher de soleil.


Le principe de l'expérience

Nous voulons simuler la diffusion de la lumière solaire par l'atmosphère dans le domaine de la diffusion Rayleigh (taille des cibles petite devant la longueur d'onde). Pour cela, une lampe quartz-iode joue le rôle du Soleil et une cuve remplie d'une solution de thiosulfate joue le rôle de l'atmosphère.


La couleur orange du coucher de soleil s'observe lorsque l'on regarde directement le Soleil. Dans l'expérience, le coucher du soleil s'observe donc sur l'écran de projection situé dans l'axe de la lampe Quartz-Iode (notre soleil).

La couleur bleue du ciel s'observe quand on ne regarde pas le soleil dans son axe. Dans l'expérience, la simulation de la couleur bleue du ciel s'observe le mieux dans la direction perpendiculaire à la cuve.

Le coucher de soleil

La couleur orange d'un coucher de soleil s'explique facilement. Lorsque le Soleil est bas sur l'horizon, les rayons solaires effectuent un trajet beaucoup plus long dans l'atmosphère que lorsque le soleil est au zénith. C'est pourquoi un photon provenant du Soleil à son point le plus bas sur l'horizon a une plus forte chance d'être diffusé qu'un photon provenant du soleil au zénith.

Or la théorie de la diffusion Rayleigh montre que les photons de courte longueur d'onde (bleu) sont plus diffusés que les photons de grande longueur d'onde (rouge-orange). Puisque les photons qui atteignent notre œil lorsque l'on regarde un coucher de soleil sont majoritairement des photons non diffusés, ceux de courte longueur d'onde sont moins nombreux que ceux des grandes longueurs d'onde. Ainsi, le Soleil est rouge-orange à son coucher.

Dans l'expérience, les cibles diffusantes sont constituées de petites particules de soufre qui apparaissent après ajout dans la solution de quelques gouttes d'acide chlorhydrique. Avant d'ajouter l'acide, l'image du diaphragme est jaune-blanche (spectre de la lampe Quartz-Iode). Au fur et à mesure que les particules de soufre sont produites, la diffusion augmente et la lumière parvenant sur l'écran est progressivement appauvrie en faibles longueurs d'onde. L'image du diaphragme prend une teinte orangée puis rouge. À la fin de l'expérience, la solution devient opaque par accumulation de particules de soufre. On remarque l'extinction progressive de l'image du diaphragme sur l'écran.

Figure 2. Pas de diffusion

Pas de diffusion

Figure 3. Diffusion

Diffusion

Figure 4. Opacité

Opacité

Le bleu du ciel

La couleur bleue du ciel est due aux mêmes phénomènes que la couleur orange d'un coucher de soleil. Quand on regarde le ciel ailleurs que dans l'axe du Soleil, ne nous parviennent que des photons qui ont été diffusés. Or comme les photons bleus sont 16 fois plus diffusés que les photons rouges, le ciel a une couleur bleue.

Dans l'expérience, la diffusion doit être observée perpendiculairement à la cuve. Une teinte bleutée apparaît au début de la réaction de dismutation du thiosulfate.

Figure 5. Cuve en perspective

Cuve en perspective

Figure 6. Cuve de côté

Cuve de côté

Film des expériences

Réalisation pratique de l'expérience

L'expérience a été réalisée avec le matériel optique suivant :

  • une lampe quartz iode,
  • un filtre anticalorique,
  • une lentille convergente de distance focale 20 cm,
  • une cuve dimensions L=6 cm, l=2 cm, h=3 cm,
  • un écran.

L'expérience a été réalisée avec les produits chimiques suivants :

  • une solution de thiosulfate de sodium (Na2S2O3) à 20 g/L,
  • une solution d'acide chlorhydrique à 6 mol/L.

La réaction chimique

L'ajout d'acide chlorhydrique dans la solution de thiosulfate conduit à la dismutation du thiosulfate en soufre et ions sulfates suivant la réaction suivante :

S2O3 2- + 6 H+ +4e- -> 2 S + 3 H2O │2x

S2O3 2- + 5 H2O -> 2 SO4 2- + 10 H+ + 8e- │1x

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3 S2O3 2- + 2H+ -> 2 SO4 2- + 4 S + H2O

Une expérience plus simple

On peut simplifier le protocole opératoire précédent si l'on ne veut pas voir la diffusion bleutée et que l'on veut juste voir le coucher du soleil. Il suffit de poser une boite de pétri sur un rétroprojecteur et de faire l'image de la boite sur un écran. On remplit la boite de pétri de thiosulfate, on ajoute de l'acide, on agite bien et on laisse la réaction chimique commencer. Comme précédemment, l'image de la boite, tout d'abord jaune va devenir rouge orange. Pour agrémenter la manipulation, on peut dessiner sur du papier transparent une île et un palmier, on observe ainsi un coucher de soleil sur un atoll du Pacifique !

Mots clés : coucher de Soleil, diffusion de Rayleigh, atmosphère, longueur d'onde, couleur